自適應控制在煤粉計量系統(tǒng)上的應用

　　入窯喂煤系統(tǒng)是水泥廠燒成系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)之一，特別是水泥生產(chǎn)的干法工藝和大型化，對喂煤提出了更高的要求，準確而又及時地計量、控制、調(diào)節(jié)入窯和分解爐的喂煤量，是穩(wěn)定窯的熱工制度，提高窯的產(chǎn)量、提高熟料質(zhì)量、降低能耗和保證窯的安全穩(wěn)定運行的關鍵因素之一。但是回轉(zhuǎn)窯用煤粉具有細度小、干燥的物理特性，流動性好，若水份含量大或積壓存放時間長又可能出現(xiàn)粘結，因而控制不當可造成涌料或棚倉。針對上述要求，我們從系統(tǒng)工程角度出發(fā)，研制開發(fā)轉(zhuǎn)子秤煤粉計量控制系統(tǒng)，該項目今年獲國家科技部專項資金重點支持發(fā)展項目。 

　　1、系統(tǒng)概述與組成 

　　如圖一所示，該系統(tǒng)由煤粉稱重倉、粉體喂料機、轉(zhuǎn)子秤、鎖風輸送裝置及電氣控制部分組成，粉體喂料機采用回轉(zhuǎn)型、多分格、多層式、 

　　均壓容積穩(wěn)定喂料結構，轉(zhuǎn)子秤采用多分格轉(zhuǎn)子式環(huán)狀天平結構，稱重傳感器檢測料重，磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測速，電氣控制部分由PLC模塊構成主控單元來實現(xiàn)雙回路自動調(diào)節(jié)。 

　　2、系統(tǒng)工作原理 

　　煤粉由進料口進入稱重倉，通過傳感器檢測來穩(wěn)定倉的料位，從而得到穩(wěn)流的作用。煤粉經(jīng)穩(wěn)流后再由喂料機均勻穩(wěn)定地喂入轉(zhuǎn)子秤。進入轉(zhuǎn)子秤的煤粉由轉(zhuǎn)子從進料口帶至出料口并喂入下級設備。特殊設計的結構使得荷重傳感器能精確的測出轉(zhuǎn)子秤圓盤體中煤粉的重量，并輸出重量信號，該信號與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信號一起經(jīng)控制系統(tǒng)處理運算得到煤粉的實際流量，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)煤粉定量給料。喂料機的轉(zhuǎn)速跟蹤轉(zhuǎn)子秤的轉(zhuǎn)速同步調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定、準確運行。 

　　3、硬件組態(tài) 

　　轉(zhuǎn)子秤煤粉計量控制系統(tǒng)主機部分選用德國西門子公司SIMATIC S7系列PLC。CPU選用224 DC型，它本身具有14個DI和10個DO，通過它可實現(xiàn)邏輯連鎖、狀態(tài)反饋及多路高速計數(shù)。擴展模塊選用3路12位AI和4路12位AO，通過它可實現(xiàn)與現(xiàn)場信號的AD、DA，以及與中控的模擬量通訊（保留）。由于CPU為SIMATIC S7系列，它還能很方便地實現(xiàn)數(shù)字通訊及網(wǎng)絡連接。 

　　系統(tǒng)硬件設計充分考慮抗干擾措施。系統(tǒng)由SPU信號處理單元完成對系統(tǒng)中現(xiàn)場弱信號（如轉(zhuǎn)子中煤粉的負荷、稱重倉內(nèi)煤粉的負荷等）的現(xiàn)場采集、放大、轉(zhuǎn)換以及傳輸?shù)裙ぷ?。系統(tǒng)測速部分用原裝進口磁電式編碼器，經(jīng)倍頻電路后直接送入CPU224的高速計數(shù)口計數(shù)，以確保測速精度在1‰之內(nèi)。系統(tǒng)的模擬輸出AO與系統(tǒng)調(diào)節(jié)單元（變頻器）之間采取加信號隔離器來抑制干擾。 

　　系統(tǒng)人機界面采用西門子公司觸摸面屏TP27。通過TP27可很直觀地監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀態(tài)、各種參數(shù)信息，包括系統(tǒng)的設定值、瞬時值、累計值、運行趨勢、報警信息等。同時，還可通過TP27上所顯示的菜單（按鈕和輸入域）直接控制系統(tǒng)運行。 

　　4、控制軟件 

　　本系統(tǒng)是一個多變量、多回路的滯后系統(tǒng)，用常規(guī)的PID控制很難獲得良好的控制性能。在控制方式上，針對煤粉物料的特性，系統(tǒng)軟件采用了預置控制加前饋自適應PID調(diào)節(jié)的方式。首先，根據(jù)設定流量預置喂料機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)初步預給料，再通過設定荷重與檢測荷重的差值來調(diào)節(jié)喂料機，同時對喂料機的調(diào)節(jié)加約束條件，保證轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的負荷維持在設定的相對水平，從而實現(xiàn)穩(wěn)定喂料；通過設定流量與檢測流量的差值來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子秤，從而實現(xiàn)精確計量。 

　　上述雙環(huán)調(diào)節(jié)既相互配合又相互影響，為了防止兩環(huán)振蕩，軟件上采取了許多特殊的措施，如調(diào)節(jié)時間的選擇、步長的選擇、PID參數(shù)的優(yōu)化等。在調(diào)節(jié)時間上我們選擇外環(huán)時間T大于內(nèi)環(huán)時間T的3倍，步長上我們選擇分段可變步長，PID參數(shù)的整定上我們選擇具有控制參數(shù)收斂快，計算工作量相對較小，實用的單純形加速法自適應控制方式，它既能反映動態(tài)性能又能反映穩(wěn)態(tài)特性。我們選用 

　　作為性能指標的目標函數(shù)，將之離散化可得 

　　在采樣周期T固定時，T2為常量，上式可簡化為 

　　對于本系統(tǒng)，J是極值函數(shù)，最優(yōu)化理論表明：在經(jīng)過有限步搜索以后能夠找到極值點。軟件框圖如下：

可變權系數(shù)：

　　
可變權系數(shù)：

　　
可變權系數(shù)：

　　其中流量差值e1(t)、流量差值變化率△e1(t)及荷重差值變化率△e2(t)決定流量環(huán)的自適應PID，荷重差值變化率的引入有抑制系統(tǒng)對于流量環(huán)的擾動；荷重差值e2(t)、荷重差值變化率△e2(t)及轉(zhuǎn)子秤轉(zhuǎn)速的變化率△n(t)決定荷重環(huán)的自適應PID，荷重差值變化率及轉(zhuǎn)子秤轉(zhuǎn)速的變化率的引入相當于對預給料機加了前饋，從而能有效抑制系統(tǒng)擾動特別是倉內(nèi)煤粉流態(tài)改變導致的下料擾動。

　　5、應用實例

　　某公司1000t/d熟料的水泥生產(chǎn)線，采用了轉(zhuǎn)子秤煤粉計量控制系統(tǒng)作為窯頭和分解爐喂煤計量，自2000年投運以來，一直運行穩(wěn)定，計量準確。

　　以下是摘錄的一些運行數(shù)據(jù)和圖表：

表1 2000年2月29日用倉在線標定的標定數(shù)據(jù)

圖3煤粉流量歷史趨勢圖

表2煤磨正常喂煤時的喂料量